LLC諧振回路電流 (tank current) 分析與測量之二

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3諧振回路電流測量方法

要求電流波形時(shí)，可使用三種方法來測量電流。

小容限功率電阻電流變換器（CT）

直接通過電流探針來測量諧振回路電流

第一種方法是小容限功率電阻，其與諧振回路中的其它組件串聯(lián)。這種電阻必須擁有高分辨率和良好的溫度性能。正常情況下，諧振回路通過一個(gè)端子連接接地，這樣可以減少測量的共模噪聲。另外，它還是一種測量諧振回路電流的簡單方法。但是，它會(huì)增加功耗，特別是在強(qiáng)電流條件下。另一方面，它改變了諧振參數(shù)，并使其偏離初始設(shè)計(jì)。同時(shí)，由于要求高性能，因此它的成本價(jià)格也很高。

圖4電流變換器等效模型

第二種方法是電流變換器（CT），其一次側(cè)與諧振回路串聯(lián)。相比功率電阻（第一種方法），這種方法的電阻較低，并且其功耗也低于功率電阻方法。另外，相比諧振回路的Lr和Lm，CT的磁電感小到可以忽略不計(jì)。但是，由于許多寄生參數(shù)原因，CT并非是一種最佳解決方案。圖4顯示了CT的等效模型。由于二次漏電感遠(yuǎn)大于一次漏電感，因此漏電感設(shè)置在二次側(cè)。

圖4中：Cps為一次線圈和二次線圈之間的寄生電容。

Cp為一次側(cè)的寄生電容。

Cs為二次側(cè)的寄生電容。

Lm為CT的磁電感。

R為采樣電阻。

當(dāng)使用硬開關(guān)開啟或者關(guān)閉MOSFET時(shí)，電路狀態(tài)立刻劇烈變化。這時(shí)，產(chǎn)生大量的開關(guān)噪聲。這種噪聲通過Cps耦合到CT的二次側(cè)。另外，噪聲還流經(jīng)Cp和Cs.Lm和Lleak也受到影響。如果使用通用電壓探針來測量R的電壓，則通常會(huì)出現(xiàn)一個(gè)高電壓峰值；但是，如果使用差分電壓探針，則Cps耦合的共模噪聲被消除，并且僅剩下差模噪聲。電壓峰值得到了有效降低。然而，差模電壓探針測量的波形仍非真正的電流波形。

第三種方法是直接使用電流探針測量諧振回路電流。正常情況下，電流探針擁有較高的帶寬，足以進(jìn)行電源系統(tǒng)檢測。例如，Tektronix設(shè)計(jì)的TCP202便是一種DC耦合電流探針，其擁有高達(dá)50MHz的DC帶寬。LLC諧振回路電流頻率為100kHz.電流探針具有較高的性能，可以顯示近似真實(shí)的電流波形。只需要一條短線，把它與回路中的其它組件串聯(lián)在一起，這樣便組成了一個(gè)最低成本的電流波形觀察方法。但是，電流探針測量的電流信號(hào)不能用于其它目的，例如：回路控制、保護(hù)電路等。

UCC25600 300W EVM演示了前面的分析。圖5中，使用不同方法對諧振回路電流進(jìn)行測量。CH2和CH3均由CT測量，差別是，"差分"電壓探針用于對CH2中CT輸出端的電壓信號(hào)進(jìn)行采樣，而"共模"電壓探針則用于對CH3中CT輸出端的電壓信號(hào)進(jìn)行采樣。CH4通過電流探針直接測量。圖5（b）和5（c）中，單獨(dú)測量CH2和CH3，但在圖5（d）中，同時(shí)對它們進(jìn)行測量。在圖5（a）中，相比CH4，可在CH3中看到大電流脈沖，其為嚴(yán)重噪聲。在圖5（b）和圖5（c）中，相比CH3，CH2的電流脈沖得到極大降低，因?yàn)橄斯材Ｔ肼?；但是，差模噪聲仍然存在，因此CH2的電流脈沖大于CH4.在圖5（d）中，CH2和CH3同時(shí)被測量，因?yàn)樵趦?nèi)部示波器，所有示波器探針接地均連接。CH3的共模噪聲會(huì)影響CH2.圖5（d）中CH2和CH3的波形相同，其表明在圖5（b）和圖5（c）中，CH3和CH2的共模噪聲結(jié)果相同。

圖5使用不同方法對諧振回路電流進(jìn)行測量

根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，前述分析得到了證實(shí)。在低電流條件下使用功率電阻方法，而采樣電流信號(hào)可用于實(shí)現(xiàn)其它功能。在高電流條件下使用CT，采樣電流信號(hào)可用于實(shí)現(xiàn)其它功能。如果給CT添加補(bǔ)償和濾波器，則效果更好。在所有情況下都可以使用電流探針，但其采樣電流信號(hào)不可以用于其它功能。

請注意：推薦使用小范圍電流探針來測量低電流。同樣，推薦使用大范圍電流探針來測量高電流。

4實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證第2小節(jié)的分析結(jié)果，我們使用TI的LLC諧振半橋轉(zhuǎn)換器300W評(píng)估模件來獲得7組數(shù)據(jù)。所有參數(shù)均經(jīng)過設(shè)計(jì)和優(yōu)化，Lr = 55 ？H、Lm = 280 ？H、Cr = 24 nF、Cs1 = 340 pF，并且必須測量出Vin， VCr和ILr.

圖6顯示了諧振回路電流、DS電壓和VCr（ZVS期間波形），其中，CH2為諧振回路電流波形。在圖6（a）中，CH1為DS電壓波形。在圖6（b）中，CH1為Cr波形的電壓。通過電流探針測量諧振回路電流，并使用差分電壓探針來測量DS電壓和Cr電壓。

表1列出了所有數(shù)據(jù)：ILr1為ZVS之初ILr的值，ILr2為ZVS結(jié)束時(shí)ILr的值，而ΔIcal則為通過方程式13到方程20計(jì)算的結(jié)果。由于這些方程式都太復(fù)雜，因此我們使用Mathcad來簡化計(jì)算。對比ΔI和ΔIcal我們可以知道，ΔIcal接近于ΔI，這表明第2小節(jié)中參考文獻(xiàn)「3」的分析是正確和合理的。ΔIcal和ΔI的差值由寄生參數(shù)和測量誤差所造成。

圖6諧振回路電流、DS電壓及ZVS期間VCr波形

表1參數(shù)值

5結(jié)論

LLC可以提供寬輸入電壓范圍的高效率。我們分析了LLC的諧振回路電流，并通過大量方程式說明了所有電能參數(shù)的關(guān)系。文章討論了三種電流測量方法及其應(yīng)用、優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了分析的正確性。

參考文獻(xiàn)

「1」《寬負(fù)載范圍LLC諧振轉(zhuǎn)換器的高效率優(yōu)化》，作者：Ya Liu.美國弗吉尼亞州布萊克斯堡：2007年弗吉尼亞理工學(xué)院及州立大學(xué)碩士學(xué)位論文。

「2」《8引腳高性能諧振模式控制器》。2008年9月《TI UCC25600產(chǎn)品說明書》（SLUS846B），2011年7月修訂。

「3」LLC諧振半橋轉(zhuǎn)換器300W評(píng)估模塊。2009年4月《TI用戶指南》（SLUU361）。